三极管放大电路与开关电路的设计

这一期中主要聊聊三极管，谈及三极管，但凡学过模电的都知道，先学了PN结，然后根据二极管单向导通性学的是二极管，紧接着学的就是三极管了。

三极管在模电中常常被用作放大的作用，但是在实际中也常常被用作开关作用，但是很多人在学了三极管后，就没有在实际中接触到三极管，同时也使用的是课本中“理想”的方法分析三极管电路，所以在应用中对三极管就非常“迷”，这一期首先通过课本的方式温习一遍由三极管组成的“共射电路”，然后通过查看datasheet的方式了解三极管的常用参数，接着通过实际应用的方式，设计三极管放大电路与开关电路

01

基本共射电路结构

图26 基本共射电路

如图26所示，这是由NPN三极管组成的基本的共射电路，首先一个问题它为什么叫做共射电路？这是由于输入回路由基极和发射极组成，输出回路由集电极和发射极组成，由于发射极是两个回路的公共端，所以称该电路为共射放大电路，同理共基电路、共集电路也是这个原理起名的。

这里就不介绍三极管内部工艺，直接看共射电路常见的题目。

下图所示电路，已知Vcc=15V，β=100，Ube=0.7V。请问：

（1）、Rb=50kΩ时，输出电压Uo为多少？

（2）、若T临界饱和，那么Rb至少为多少？

图27 共射电路问题

（1）

首先求得基极电流：

再求得集电极电流：

所以电阻Rc两端电压为：

最后求得输出电压Uo为：

那么怎么根据以上信息判断三极管T处于截止、饱和、放大区域呢？

可以根据以下结论判断：

截止区：发射结电压小于开启电压（反向偏置）且集电极反向偏置（集电结电压大于发射结电压）：

放大区：发射结正向偏置且集电极反向偏置：

饱和区：发射结和集电结处于正向偏置：

这里要注意发射结正偏和集电结正偏是不一样的，切勿搞混淆了。

这里三极管的发射结电压Ube=0.7V,集电结电压Uce=2V,所以：

所以发射结正向偏置且集电结反向偏置，那么可以判断三极管处于放大区域。

（2）

假设三极管T临界饱和，那么发射结电压以及集电结电压都刚好等于三极管BE之间开启电压：

那么求得此时集电极电流为：

那么基极电流可以根据放大倍数求得：

最后根据基极电流可以求得最大基极电阻Rb为：

此时三极管T处于临界饱和，当基极电阻Rb=45.45kΩ时，增加基极电阻Rb可以使三极管T进入放大状态，减小基极电阻可以使三极管T进入饱和状态。

02

三极管常见参数

那么在实际中要实际用三极管设计一个放大电路和一个开关电路，那该怎么考虑。在设计前要知道三极管常见的参数，这个参数一般可以从三极管的datasheet中知道，以下是某公司的SS8050具体参数：

图28 三极管极限参数

如图28所示，这是SS8050这款三极管的极限电气参数，在设计时一定要考虑不能超过这个值。

图中：

Vceo是加在c和e之间的最高的极间电压；

Vcbo是加在c和b之间的最高的极间电压；

Vebo是加在e和b之间的最高的极间电压；

Ic是指通过集电极和发射极最高电流；

Pc是三极管能承受的最高功率；

Tj是三级管可以工作的最高温度；

Tstg是三极管使用和储存的温度范围；

图29 三极管工作参数表

如图29所示，这是SS8050工作参数表，在设计时三极管时用作放大功能常常考虑Hfe（直流增益）和Vce（sat）c-e之间饱和电压：

图中：

Hfe表示在不同的Ic的放大倍数，这个不是固定值；

Vce（sat）表示三极管饱和状态下C和E之间的电压，这里测试的是最高饱和电压为0.5V，实际中常为0.3V左右；

除了三极管极限参数和工作参数外，还要适当看看三极管的特性曲线，这里取了三极管BE电压与温度关系曲线、Vce（sat）与温度关系曲线、直流增益与Ic关系曲线等：

图30 三极管BE电压与温度关系曲线图

如图30所示，当三极管温度上升后，BE之间的电压降低了且随着Ic之间电流增大而增大，这个主要原因就是BE之间相当于二极管，有着负温度系数，当温度上升，开启电压降低。

图31 三极管CE饱和电压与集电极电流Ic关系曲线图

如图31所示，温度的变化对三极管CE之间的饱和电压影响不大，在不是很精密的场合，可以不考虑。

图32 三极管直流增益与集电极电流Ic关系曲线图

如图32所示，温度上升可以提高三极管直流增益，且随着集电极电流Ic上升到一定程度，直流增益明显下降，所以在设计时集电极电流不能太大。

03

实际应用设计分析

以下是实际应用中将三极管配置成开关作用。

首先我们要学会算，根据如下图中所示电路以及参数，计算：

（1）、当三极管开关断开时，如果Vin=0V,那么Vce为多少？

（2）、如果想让三极管开关完全闭合，那么Ib至少为多大？

（3）、如果Vin=5V，那么Rb最大值为多少？

图33 三极管开关电路

如图33所示，这是用NPN三极管设计的一个开关电路，实际应用中三极管的发射极直接接地，而集电极处接电阻Rc用作限流。

（1）、

当三极管开关断开时，即三极管截止，那么集电极电流ic=0A,所以：

（2）、

当三极管完全闭合时，三极管CE之间就为饱和电压，一般可以设Vce(sat)=0.2V，那么此时集电极电流Ic（sat）为：

在饱和区，三极管直流增益hfe就要“打折”，假设hfe=50，那么求得基极电流：

Ib此时已经可以令三极管达到饱和状态了，Ic=Ic(sat)。如果此时继续提高Ib就会让三极管进入深度饱和状态，Ic就不会增加了。

那么在选型时，要注意是否超过三极管极限参数中的Ic电流。

（3）、

三极管饱和时，Vbe=0.7V,于是可以根据Ib(min)求得基极电阻最大值为：

在实际选型时根据功率：

那么此时可以选择0603-5%的电阻，或者其他封装比1mW高的电阻。

那么在选型时，要注意是否超过三极管极限参数中的Pc功率。

在设计时一般先选择集电极电阻Rc,然后根据集电极电流Ic并缩小直流增益可以求得最小需要的基极电流Ib(min),接着可以求得最大的基极电阻，就可以配置三极管处于开关状态了。

接着是实际应用中将三极管配置成放大作用。

假如现在要设计一个将峰峰值Vp-p=1V，放大倍数Av=5的共射电路，那么该如何选择电源，电阻配置该怎么选择？下图是共射放大基本电路。

图34 实际中共射放大基本电路

如图34所示，其中R1和R2为三极管Q提供基极静态电压，R3和R4为放大电路提供放大倍数，C3和C4为耦合电容，C1和C2为旁路去耦电容。设计时先确定好集电极电流Ic，这里选择集电极电流Ic为1mA,由于集电极电流Ic和发射极电流Ie是相等的，所以也先确定好反射极的电位。

由于三极管BE极之间的二极管是随着外界温度变化的，大概是2mv/℃，所以在设计发射极的电位时要比大很多，这样就算外界温度变换引起二极管BE之间的电压变化，对于发射极电压影响不大，这里选择发射极电压为2V，那么可以根据集电极电流Ic与发射极电压Ue，确定R4的大小：

精度上可以选择5%，功率为：

然后根据功率可以选择合适封装的电阻，这里选择0603（0.1W）封装。

三极管Q的BE之间的导通电压一般为0.6V，所以三极管Q基极电压Vb为：

所以要根据电阻R1和电阻R2将基极电压配置为2.6V。这里没有确定外界电源大小，所以放在后面分析。

在选择电阻R3的参数是，先要分析，如何配置输出信号的直流偏置点？

由于发射极电压Ve=2V,而输出电压的峰峰值Uo(p-p)=5V,所以外界电源大小最小应该要为7V：

所以输出电压的直流偏置点为：

所以集电极电阻R3分压为：

那么根据集电极电流Ic可以求得集电极电阻：

然后精度上可以选择5%的电阻，功率为：

然后根据功率可以选择合适封装的电阻，这里选择0603（0.1W）封装。但是这样算是不是有点问题？

在选择电阻R3的参数时，还要进行分析，放大倍数Av与什么有关，怎么计算的？

在由于三极管BE之间相当于二极管，所以在导通的情况下，对于信号是直接传递的，所以输入信号的变化量直接加到了发射极电阻R4上：

由于发射极电流和集电极电流近似相等，所以集电极电阻R3电压上电压的变化量为：

由于输出电压Uo是电源电压减去集电极电阻R3上的电压，而集电极电阻R3电压是变化的，所以输出电压Uo也是变化的，并且它们的变化量是一样的，所以输出电压Uo的变化量等于集电极电阻R3电压的变化量：

根据公式31、32、33可以求得放大倍数Av为：

所以放大倍数由电阻R3和电阻R4决定的，由于要设计放大倍数Av=5的电路，求得R4=2kΩ,那么集电极电阻R3为：

精度上也可以选择5%的，功率为：

然后根据功率可以选择合适封装的电阻，这里选择0603（0.1W）封装。

两种分析得出的R3都不一样，在实际中要怎么解决这个问题呢？分析顺序还是相同的，先根据输出直流偏执点求得集电极电阻R3的大小，但是在放大倍数那，可以在发射极电阻并联电容和电阻来改变放大倍数，如下图所示：

图35 共射电路扩大放大倍数图

如图35所示，在电阻R4上并联电容C5和电阻R5可以提高放大倍数Av，由于电容具有“隔直通交”的特性，所以此时放大倍数为：

由于算输出静态偏置点时求得集电极电阻R3为2.5KΩ，所以可以设计：

可以近似取R5为500欧姆，实际上放大倍数设置5时由于三极管内部的寄生电容的影响会有一定的衰减，这里扩大一定裕量，实际放大倍数Av:

同时电阻R5也可以选0603封装，电容C5和电阻R5组成高通滤波器，C5的值影响放大电路的高频特性，但是不考虑的话，可以选10uf/0603电容。

由于VCC选取7V电压，那么三极管基极静态电压偏置为2.6V，假设三极管放大倍数为200倍，那么基极电流Ib为：

所以I1电流之路流过几百微安的电流，基极电流抽出几微安电流是没什么影响的。假定I1为500uA,那么电阻R1为：

根据Vb电压为2.6V可以求得电阻R2：

实际中根据功率，电阻R1和电阻R2可以选择0603（5%）的封装。

电路中旁路电容C1可以选择10uF/0603,电容C2可以选择100nF/0603，耦合电容决定的电路的高频特性，这里选择10uF/0603。

04

仿真验证

以下通过仿真软件对上述三极管开关电路和放大电路进行仿真验证：

图36 三极管饱和导通仿真

如图36所示，根据上述参数设计左边三极管处于饱和导通状态，增加基极电阻Rb那么三极管将处于放大状态。

图37 三级管放大电路仿真分析

如图37所示，根据计算的参数仿真可得，基极静态电压为2.57V，输出电压静态点为4.77V，发射极电压为1.8V，结果还是比较准确的，也因三极管而异。

图38 三极管波形分析

如图38所示，红线波形是放大后的信号，蓝色线是输入信号，输出信号的峰峰值为4.619V,输入信号的峰峰值为1V，放大倍数为4.6倍，与实际值相差不多，验证成功。

图39 三极管放大倍数分析

如图39所示，用波特测试仪对输入信号和输出信号进行分析，增益为15db，而理论上的增益为：

15db与理论值相差不多，所以增益验证正确。